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謝謝沈站長！
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來源：
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=9376&forum=34&1
【天文學補充教材之三：太陽系】
資料取材自「中國大百科天文學」
北京中國大百科出版社出版 繁體中文數位版：遠流集團智慧藏學習科技股份有限公司出版 台北市中正區 100 南昌路二段 81 號 8 樓 TEL：(02) 2393-6968 FAX：(02)2393-6877 http://www.wordpedia.com/edu/product/cpedia.aspx
天文學常識：特邀「牛角尖」重新整理
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太陽系
太陽系是由太陽?行星及其衛星?小行星?彗星?流星體和行星際物質構成的天體系統。
自1755年康德提出第一個比較科學的太陽系起源的星雲說以來﹐已有四十多種學說﹐但其中還沒有一種學說是比較完整的和被普遍接受的。康德的星雲說﹐是他在31歲時匿名發表的《自然通史和天體論》(中譯本名為《宇宙發展史概論》)一書中提出的﹐但當時沒有引起公眾注意。1796年﹐法國數學和力學家拉普拉斯在《宇宙體系論》一書的附錄中﹐提出另一個星雲說﹐由於他在學術上的聲望﹐這一學說得到廣泛的傳播。於是﹐四十一年前康德的書又被人們提起﹐得到再版流傳。雖然康德和拉普拉斯兩個星雲說有許多不同點﹐但他們的主要觀點相似﹐即認為整個太陽系是由同一個原始星雲形成的。
根據對行星物質來源的看法﹐可以把各種學說分為三類﹕ 1.災變說或分出說：認為行星物質是因某一偶然的巨變事件從太陽中分出的﹐例如由於另一顆恆星走近或碰到太陽﹐或者由於太陽爆發﹐從太陽分出的物質後來形成行星。 2.俘獲說：認為太陽從恆星際空間俘獲物質﹐形成原行星雲﹐後來演變成行星。 3.共同形成說：認為整個太陽系所有天體都是由同一個原始星雲形成的﹐星雲中心部分的物質形成太陽﹐外圍部分的物質形成行星等天體。 俘獲說和共同形成說的共同點是星雲集聚形成行星﹐常合稱為“星雲說”。
十九世紀末到二十世紀四十年代初﹐由於星雲說無法解釋太陽系角動量特殊分布等問題﹐各種災變說一度盛行起來﹐如英國金斯的潮汐說?傑弗里斯的碰撞說等﹐不過這些災變說基本上都被否定了。
1944年﹐蘇聯地球物理學家施米特﹐提出了關於太陽系起源的一種俘獲說──隕星說。後來﹐愛爾蘭的埃奇沃思?英國的彭德雷和威廉斯?印度的米特拉各自提出了不同的俘獲說。這些學說的共同點都是認為太陽從鄰近空間或銀河系中俘獲物質﹐最後形成了行星系。
1949年﹐美國天文學家柯伊伯提出“原行星說”﹐認為星雲盤中發生引力不穩定性﹐瓦解為一些大的氣體球──“原行星”﹐例如﹐原地球質量為現在地球的500倍﹐原木星質量為現在木星的20倍。原行星中心部分的氣體凝集成固體。離太陽較近的類地原行星的外部氣體被太陽輻射蒸發掉﹐只留下固體部分。離太陽較遠的類木原行星因質量大和溫度低﹐能夠保留一部分氣體﹐這樣就解釋了行星的物態。這一學說還認為衛星是由原行星俘獲周圍物質團塊形成的。
1962年﹐法國天文學家沙茲曼提出太陽在演化早期拋射帶電粒子﹐它們在太陽磁場作用下運動﹐能夠有效地轉移掉太陽角動量﹐許多人引用這種“沙茲曼機制”來解釋角動量特殊分布問題。沙茲曼?美國的卡梅倫?蘇聯的薩夫龍諾夫?日本的林忠四郎以及英國的霍伊爾等人的新星雲說都較詳細地論述了行星形成問題﹐在國際上比較受重視。
雖然各種學說之間有許多差別﹐但在某些方面卻又彼此相近﹐有以下幾點共同認識﹕ 1. 太陽系的年齡：根據對恆星形成和演化的研究推斷﹐太陽是約50億年前由星際雲(氣體塵埃雲)瓦解後的一團小雲(原始星雲)塌縮形成的﹐它經歷了約4000萬年的引力收縮階段﹐其中包括幾百萬年的金牛座T型變星階段﹐每年約拋出千萬分之一的太陽質量。從地球和月球的古老岩石和隕石的同位素年代分析得知﹐地球和月球約在46億年前形成。因此﹐太陽系應在距今50?46億年前形成。
2.太陽系穩定性問題：這個問題雖尚未解決﹐但根據天體力學研究推斷﹐大行星軌道在20億年前和現在沒有很大差別﹔相反﹐小天體(小行星?彗星?流星體)的軌道則發生了較大的變化。
3.大行星發生過地球史所經歷的那樣地質變化﹐因此﹐大行星現在的狀況與形成時的狀況是不同的。小天體形成以來變質過程較少﹐保留了較多的形成時的信息。因此﹐近年來特別注意小天體的研究。
4.由於碳質球粒隕石的難揮發元素的豐度與太陽大氣相近似﹐木星的化學組成與太陽大致相同﹐一般認為原始星雲的化學組成最初是較均一的。
5.月球?水星和火星上的大多數凹坑﹐是39億年前隕星撞擊形成的。一般認為星雲盤內的固體顆粒(塵粒和冰粒)先沉降到赤道面﹐形成塵層。隨著密度的增加﹐便在塵層內形成星子。
6.一般認為行星系統的起源與太陽早期演化有關﹐太陽磁場通過磁耦合機制和沙茲曼機制使太陽角動量轉移﹐造成太陽系角動量的特殊分布。
綜合迄今為止的觀測資料﹐得到太陽系的主要特徵如下﹕ 1.在太陽系中﹐太陽的質量佔太陽系總質量的絕大部分(99.8％)﹐其他天體的質量總和只有太陽的約0.2%。太陽的引力控制著整個太陽系﹐使其他天體繞太陽公轉。太陽是有熱核能源輻射的發光恆星﹐其他天體都沒有核能源輻射(巨行星有紅外輻射熱源)。
2.九大行星都在接近同一平面的近圓形軌道上﹐朝同一方向繞太陽公轉﹐這就是行星軌道運動的共面性?近圓性和同向性。但各行星軌道並不是完全共面﹐而是對不變平面 有不大的傾角﹔軌道也不是正圓﹐而都是偏心率不大的橢圓﹔其中冥王星和水星的傾角和偏心率較大。太陽也朝同一方向自轉﹐太陽赤道面對不變平面傾角為 5°56′;。 為了決定行星在任何時刻的位置就需要六個相互獨立的量﹐其中五個決定軌道橢圓的空間位置﹐一個決定行星在某一特定時刻在軌道上的位置。這六個量稱為行星的軌道要素或軌道根數。習慣上這六個量是 軌道傾角i ；昇交點黃經Ω ；近日點角距ω ；軌道的半長徑a ； 偏心率e ；行星經過近日點的時刻τ 。由於攝動(其他行星引力的影響)﹐各行星的軌道要素在緩慢地發生變化。
3.行星自轉的快慢以“恆星周期”來表示﹐它是用天球上固定的一參考點(春分點)來度量行星自轉一周的時間。例如﹐地球自轉的恆星周期是 23小時56分4.1秒﹐比日常所用的一晝夜(24小時)約短 4分鐘。行星自轉的方向以行星自轉軸對公轉軸的傾角來表示(按右手螺旋法則)﹐傾角小於90°者稱為正向自轉﹐傾角大於90°者稱為反向自轉。九大行星大多是正向自轉﹔只有金星是反向自轉﹐而天王星幾乎是躺在它的公轉軌道面上作側向自轉。
4.三類行星的平均密度分布特點是﹕類地行星大﹐遠日行星次之﹐巨行星小﹔行星的大小和質量的分布特點是﹕巨行星大﹐類地行星和遠日行星小。
5.在太陽系中﹐質量佔99.8％以上的太陽的角動量只佔1％左右﹔而質量不到0.2％的其他天體的角動量總和卻佔99％左右﹐這就是太陽系角動量的特殊分布問題。
6.除了水星和金星﹐其他行星都有衛星繞轉﹐構成衛星系。
7.在火星和木星軌道之間﹐有許多小行星﹐其質量總和約等於地球的萬分之四﹐而且質量越小的數目越多。它們的軌道傾角和偏心率彼此相差較大﹐自轉周期多為2小時到16小時。小行星可分為性質不同的兩類﹕石質的和碳質的。此外﹐在地球軌道附近?木星軌道附近甚至土星和天王星軌道之間也發現有小行星。還發現幾顆小行星也有衛星。
8.已發現的彗星超過1600顆﹐它們的軌道傾角和偏心率彼此相差很大﹐有些彗星的軌道是拋物線﹐甚至是雙曲線。有些彗星(主要是長周期彗星和非周期彗星)是逆向公轉的。
9.太陽系中還有數量眾多的大小流星體﹐有些流星體是成群的﹐稱為流星群﹐已證實一些流星群是彗星瓦解的產物(流星雨)。大流星體降落到地面成為隕石。隕石又分為石隕石?鐵隕石和石鐵隕石三大類。隕石中含有許多種礦物岩石﹐還發現了有機物。此外﹐行星際還有稀疏的微塵粒和氣體﹐集中於黃道面附近﹐產生黃道光。太陽不斷地向行星際拋出等離子體﹐構成太陽風﹐它們耦合著磁場。
從地球上來看﹐行星在以恆星組成的各個星座的天空背景上﹐有明顯的相對移動﹐而且這種移動幾乎都沿著黃道進行。行星有一定的視圓面﹐所以在大氣抖動下﹐不像點狀恆星那樣有星光閃爍現象。如果仔細對比﹐還可以發覺各行星有其顏色特徵﹐在不同的時候亮度也有變化。經常觀察還可以發現它們在群星之間時現?時隱?時進?時退﹐行星一詞的原意指這種在天空上遊盪的天體﹐這個詞在希臘語中的含義是“流浪者”的意思。
在離太陽較近的恆星中就發現許多顆恆星有波狀的自行軌跡﹐說明這些恆星也可能帶有一個或幾個行星。因此﹐行星不是太陽系特有的。為了引伸行星的普遍定義﹐某些天體物理學家認為﹐對行星必須加上質量不超過0.07太陽質量﹐即未達到能產生熱核反應的主序星下限這個限制條件。這就是說質量的不同才是行星同恆星最本質的區別。
九大行星所佔的空間範圍﹐其半徑不到50天文單位﹐即使認為在離太陽10?15萬天文單位處存在“彗星雲”﹐作為太陽系的半徑﹐整個太陽系也只是銀河系的極微小部分。離我們最近的恆星(半人馬座比鄰星)的距離有20多萬天文單位。太陽只是銀河系中上千億個恆星中的一個﹐它離銀河系中心約1萬秒差距﹐偏離銀道面北約 8秒差距。太陽帶著整個太陽系繞銀河系中心轉動。
彗星在扁長軌道(極少數在近圓軌道)上繞太陽運行的一種質量較小的天體﹐呈雲霧狀的獨特外貌。當它遠離太陽時﹐呈現為朦朧的星狀小暗斑﹐其較亮的中心部分叫作“彗核”。彗核外圍的雲霧包層稱為“彗發”﹐它是在太陽的輻射作用下由彗核中蒸發出來的氣體和微小塵粒組成的。彗核與彗發合稱為“彗頭”。當彗星走到離太陽相當近的時候﹐彗發變大﹐太陽風和太陽的輻射壓力把彗發的氣體和微塵推開生成“彗尾”。自1970年以來﹐地球大氣外觀測發現三顆彗星的彗發外面還有氫原子雲﹐稱為“彗雲”或“氫雲”。彗雲包圍著彗發﹐其直徑為100?1000萬公里。大彗星的質量可達10^16噸﹐小彗星質量只幾十億噸。彗核的平均密度約1克/厘米^3﹐有些彗核的密度可能更大些﹐也有一些彗核密度或許只有0.01克/厘米^3。彗發的體積隨彗星離太陽的距離而變化﹐其直徑比彗核大得多﹐一般有幾萬公里﹐有的達到180萬公里(例如1811年的大彗星)﹐比太陽還大﹔但彗發的質量很小﹐物質很稀薄。
彗星的軌道有橢圓 (偏心率e <1)﹐拋物線(e =1)和雙曲線(e >1)三種類型。彗星走過行星(特別是質量大的木星)附近﹐會受到行星的攝動而改變軌道。大部分具有雙曲線和拋物線軌道的彗星如果沒有受到攝動﹐它們原來的軌道往往是偏心率接近1的橢圓。這表明它們也是太陽系的成員﹐或許只有少數彗星來自太陽系外。
在橢圓軌道上運動的彗星稱為“周期彗星”﹐它們周期地繞太陽公轉。在拋物線或雙曲線軌道上運動的彗星稱為“非周期彗星”﹐它們繞太陽轉個彎就一去不復返了。公轉周期短於 200年的彗星稱為“短周期彗星”﹐它們走近太陽和地球的次數較多﹐觀測資料較豐富?準確。這些彗星的軌道面對黃道面的傾角較小﹐絕大多數與行星同一方向繞太陽公轉(順行)﹐但也有少數例外﹐如著名的哈雷彗星軌道面對黃道面的傾角約為162°﹐是一顆逆行彗星。公轉周期大於200年的彗星稱為“長周期彗星”﹐它們的軌道很扁長﹐e 大於0.96而略小於1﹐接近拋物線﹐要幾百?幾千年甚至更長時間才走近太陽一次。它們的軌道延伸到九大行星範圍以外很遠﹐軌道面的取向是隨機分布的﹐順行和逆行的都有。
少數大而亮的彗星走到土星軌道附近時﹐就可以從大望遠鏡中看到彗尾﹐但一般彗星要走到離太陽三個天文單位左右才能從望遠鏡中看到彗尾﹐這時彗星只有暗星狀彗核及其周圍朦朧的彗發。當它走到離太陽兩個天文單位左右時﹐開始產生彗尾﹐離太陽更近時﹐彗尾顯著地變長變大。當它過近日點之後離開太陽越走越遠時﹐彗尾也逐漸縮小。彗尾的體積很大﹐大彗尾長達上億公里﹐寬度從幾千公里甚至到2000多萬公里﹐但物質是極稀薄的(密度只有地面上空氣的十億億分之一)。當彗發和彗尾遮掩恆星時﹐一般星光不因此而減弱或偏折﹐但有時也觀測到星光閃爍。1910年﹐哈雷彗星的彗尾曾“掃”到地球﹐地球上毫無異常現象。彗發和彗尾的總質量一般只佔彗星質量的1?5％左右。彗尾形狀多種多樣﹐一般總是向背離太陽方向延伸﹐而且常常有兩條以上。彗尾可分為兩類﹕一類彗尾較直﹐由離子氣體組成﹐稱為“離子彗尾”或“氣體彗尾”﹐又稱Ⅰ型彗尾。這類彗尾是太陽風的很強斥力作用於彗星中的離子形成的。另一類是彎曲的﹐由微塵組成﹐呈黃色﹐稱為“塵埃彗尾”﹐彎曲程度較小的又稱Ⅱ型彗尾﹐彎曲程度很大的稱為Ⅲ型彗尾。這類彗星是太陽光子的輻射壓力推斥微塵而形成的。
1949年﹐美國天文學家惠普爾提出“冰凍團塊模型”。他認為彗核是“臟雪球”﹐由冰凍的母分子和夾雜的細塵粒組成。後來有的學者進一步發展了這種模型﹐認為彗星走近太陽時﹐太陽加熱作用使彗核表面的冰昇華為氣體﹐向外膨脹﹐同時帶出微塵﹐形成彗發和彗尾。彗星每次走近太陽時﹐僅僅彗核表面層被蒸發﹐內部仍保持冰凍態﹐因而壽命可達幾千個公轉周期﹐彗星會由於太陽等天體施加的起潮力而逐漸瓦解﹐形成流星群(流星雨)。彗星本身還有自轉﹐自轉周期為數小時。由於彗核自轉以及各層熱傳導的時間滯延﹐氣體不對稱地放出﹐產生“火箭噴射”效應﹐這就可以解釋恩克彗星的加速和阿雷斯脫彗星的減速運動現象。
關於彗星的起源問題﹐看法很多﹐到現在還沒有一致的意見﹐其中以原雲假說最為著名。荷蘭學者奧爾特在二十世紀五十年代統計得出﹐長周期彗星軌道半長徑為 3萬到10萬天文單位。他因此提出太陽系邊遠區有個彗星儲庫──“彗星雲”﹐又稱奧爾特雲(Oortcloud)﹐為說明觀測到的“新”(出現)彗星的頻數﹐他估計那裡有1000億顆彗星﹐其總質量比地球質量小。彗星雲中的彗星長久地遠離太陽﹐繞太陽公轉一周要幾百萬年。由於它們處於太陽與其他恆星之間﹐恆星引力攝動使一部分彗星軌道改變﹐進入太陽系內部。它們與大行星(主要是木星)相遇時﹐有一些被攝動而變為短周期彗星──“新”彗星﹐另一些可能被拋出太陽系。
每年可有幾次看到許多流星從星空中某一點(叫作輻射點)向外輻射散開﹐這種現象叫作流星雨﹐這是地球遇到流星群的結果。按照現在一般的看法﹐流星群是由周期彗星散射出來的質點或由瓦解了的彗核形成的。
在太陽系中﹐有千千萬萬不同大小的流星體﹐沿著橢圓的軌道繞太陽運動﹐在經過地球附近時﹐由於受到地球引力的攝動﹐便改變軌道﹐向地球接近﹐如果它的軌道穿過地球大氣﹐便可觀測到流星現象。通常觀測到的流星﹐其本體在進入大氣之前﹐體積不比砂粒和小石子大﹐但是具有很高的動能。有的流星體較大﹐與地球相遇落到地球表面﹐就是人們看到的隕石﹐有的隕石會發生爆裂。爆裂後的許多隕石碎塊落向地面﹐這種現象稱為隕石雨。
觀測表明﹐流星體相對於地心的速度上限為每秒72公里﹐下限為每秒11公里。這兩個極限速度都是流星體循拋物線軌道繞太陽運行時產生的﹐差別在於﹕前者是流星體和地球迎面相遇﹐後者是流星體趕上地球。流星體圍繞太陽旋轉的軌道絕大多數是橢圓﹐拋物線很少﹐雙曲線則幾乎沒有。這一事實表明﹐流星體是太陽系內的天體。
當流星體高速衝入地球大氣層時﹐其前端的空氣受到強烈壓縮﹐溫度陡昇到幾千度甚至上萬度﹐使隕石表面的物質熔化和氣化。這些氣化物質仍和隕石一起以很高速度往前沖﹐與地球大氣的分子激烈碰撞而發光﹐形成耀眼的火球﹐稱為火流星。有的火流星在夜晚能把廣大區域照得如滿月之夜﹐甚至如同白晝。火球一般在135公里以下的高度開始發亮﹐到10公里以上的高度消失。在火球消失後一分鐘到幾分鐘內﹐人們可能聽見霹靂般的爆炸聲和雷鳴般的隆隆聲。有時地震儀能記錄到較大隕石的衝擊波信號和隕石落地時產生震動的信號。
大多數隕石質量不大﹐隕落時受到大氣的阻力﹐落地前的速度已減小﹐一般為每秒幾十米到300米左右﹐因此形成的隕石坑較小較淺。而當一個非常大的隕石與地球相遇時﹐大氣的減速作用不夠﹐隕石就會以高速與地面相撞﹐巨大的動能在一瞬間釋放出來﹐將大部分隕石物質和碰撞點附近大量的地面物質完全粉碎並氣化﹐形成一個大隕石坑﹐坑的直徑比隕石大得多﹐有的很像爆炸坑。隕石和地球物質的碎片和熔化滴粒散布在隕石坑周圍的廣大區域。美國的亞利桑那隕石坑﹐坑的直徑達1240米﹐深達170多米﹐坑的四周比附近地面高出40米左右。經過考察和分析得知﹐這個隕石坑是大約兩萬年前﹐由一個直徑約60多米?重10多萬噸的鐵隕石以每秒20公里左右的速度撞擊而成的。
1908年 6月30日發生了著名的通古斯隕星事件。這天早晨﹐在俄國西伯利亞上空突然出現了一個大火球﹐比太陽還亮﹐同時發出震耳欲聾的爆炸聲﹐在1000公里以內都可以聽到。隕星的衝擊波摧毀了幾百平方公里的森林﹐樹木大片大片地倒下﹐各個地球物理觀測站的地震儀記下了這次不平常的地震﹐並記錄了繞行地球兩圈的?強烈的空氣衝擊波。據推測這可能是一顆直徑約70多米的小彗星的冰核與地球相遇造成的。
近年來﹐發現隕石中的同位素組成﹐有明顯的異常。這種異常的原因可能是當星雲在凝聚形成行星和隕石母體時﹐有鄰近超新星爆發的產物進入其中﹐使星雲受到污染﹔或者在星雲中殘存著“前太陽”的組成成分﹐而星雲的分餾?凝聚過程又沒有稀釋或消除這種影響。因此﹐太陽系的物質來源有可能不是單一的。
行星際空間雖然空空盪盪﹐但並非真空﹐其中分布著極稀薄的氣體和極少量的塵埃。行星際質點主要是電子?質子以及氦?碳?氮?氧和重元素的核。在地球軌道附近的行星際空間中﹐每立方厘米平均約含有五個正離子(絕大部分為質子)和五個電子。此外﹐還充斥著來自太陽?行星以及太陽系以外的電磁波。
從地面觀測得知存在行星際物質的根據是﹕黃道光﹐彗尾氣體中的加速現象。前者黃道光是太陽光被行星際物質中質量小於10^(-6)克的質點所散射而造成的﹔後者可用太陽風的作用加以解釋。目前已經清楚﹐太陽風是行星際物質的主要來源﹐除太陽風以外﹐彗星的碎裂?小行星的瓦解以及流星體和宇宙塵等都構成行星際物質的補充來源。太陽風是從日冕發出的一種等離子流。日冕具有一?二百萬度的高溫﹐甚至連太陽那樣強的引力也無法永遠維繫這種熾熱氣體。因此﹐就某種意義上說﹐行星際物質可以看作是日冕的稀薄的延伸。
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來源：
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=8493&forum=34&1【天文學補充教材之二：近代天文學】
資料取材自「中國大百科天文學」
北京中國大百科出版社出版 繁體中文數位版：遠流集團智慧藏學習科技股份有限公司出版 台北市中正區 100 南昌路二段 81 號 8 樓 TEL : (02) 2393-6968 FAX : (02)2393-6877 http://www.wordpedia.com/edu/product/cpedia.aspx
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近代天文學
文藝復興時期已有許多天文學家對地心體系表示懷疑。但是﹐真正打破這個體系的人是十六世紀波蘭天文學家哥白尼。他建立起一個新的宇宙體系──地球是一顆行星﹐和別的行星一樣﹐都在同心圓周上圍繞太陽運行。行星排列的次序﹕水星在最內的圓周上﹐依次往外是金星?地球?火星?木星﹐土星在最外的圓周上。月球圍繞地球運行﹐同時也被地球帶著圍繞太陽運行﹐恆星則在遙遠的空間裡。
哥白尼死後三年多﹐在丹麥誕生了一位卓越的天文觀測者──第谷。第谷曾經提出過一種折衷的宇宙體系──行星繞太陽運動﹐太陽繞地球運動。他認為﹐只有依靠大量的精密觀測記錄﹐才能夠創立正確的行星理論﹐並計算出可靠的行星表。因此﹐他特別精確觀測太陽?月球和行星的方位﹐並作出記錄。第谷快要逝世時﹐將珍貴的觀測記錄贈給他的助手克卜勒。
克卜勒發現對於火星運動來說﹐不論按哥白尼體系或托勒密體系﹐乃至第谷設想的折衷體系﹐都不能得到和第谷的觀測相合的結果。雖然最大誤差只有8′;﹐但是﹐他堅信觀測結果是正確的。他在分析了哥白尼體系和托勒密體系以後﹐發現它們有一個共同點﹐那就是二者都認為天體是沿圓周作勻速運動的。克卜勒感覺可能正是這一點是有問題的。於是他為火星設想了種種軌道曲線。經過了十多年的辛勞﹐進行不斷的嘗試和複雜的計算﹐他終於在1609年和1619年分別發表對所有行星運動都適用的三條定律(克卜勒定律)。
伽利略是與克卜勒同時代的義大利人。1609年﹐伽利略聽說荷蘭人發明了望遠鏡﹐便獨立地研究製造出天文望遠鏡。1610年伽利略開始用望遠鏡觀察天體﹐隨即發現一些天象﹐這使他更加相信哥白尼理論的正確性。因此﹐他便愈來愈熱烈地宣傳哥白尼的體系。義大利思想家布魯諾因為相信和宣揚哥白尼體系﹐攻擊亞里士多德的哲學﹐批判羅馬教會的腐朽制度﹐而被處火刑燒死。 1616年﹐法庭宣判說:“太陽居於宇宙中心的思想是一種邪說﹐至於不把地球放在宇宙中心﹐而認為在運動﹐雖非邪說﹐卻是謬論。”所以伽利略受到法庭警告﹐不許再提倡這類學說。同時哥白尼所著《天體運行論》被列為禁書。可是沒有幾年﹐為維護哥白尼的學說﹐伽利略又寫了一部書﹕《關於托勒玫和哥白尼兩大世界體系的對話》。這部書於1632年出版後﹐伽利略也被召到羅馬受宗教法庭的審判。 1633年他被判處終身監禁。伽利略後被保釋﹐改判為“居家監視”﹐因此這位七十高齡的老人仍得繼續研究工作﹐直到1642年逝世。
伽利略去世的那一年﹐牛頓在英國誕生。牛頓在大學求學時就已經接受了哥白尼的理論﹐並深深體會到克卜勒和伽利略的工作的意義。克卜勒認為是太陽的力量控制著行星在軌道上運行﹐但是﹐他沒有找到正確的力學規律。在克卜勒和伽利略?惠更斯等人工作的基礎上﹐牛頓發現了萬有引力定律。他寫成了一部不朽的巨著《自然哲學的數學原理》。這部書奠定了近代力學的基礎﹐證明使天體循一定軌道運動的因素是引力﹐並從引力定律出發將兩千年間的觀測貫串起來。
十七世紀的其他天文學家 除上述天文學家外﹐還有其他一些天文學家也對哥白尼學說和天文學的發展作出貢獻﹕
霍羅克斯 的主要成就是把克卜勒的橢圓軌道理論應用到月球運動上去。
赫維留 定出相當準確的太陽自轉周期。他提出的光斑一詞一直沿用至今。 1647年發表第一幅比較詳細的月面圖。1701年出版了他編制的赫維留星表。
惠更斯 發現了土星的光環和第一顆衛星。他的關於向心力的工作對牛頓萬有引力的發現起了重要的作用。他創造的天文擺鐘?複合目鏡等天文儀器。他還闡明了布魯諾提出的恆星都是宇宙裡的太陽的正確主張。
羅默 通過對木衛掩蝕的研究發現光速的有限性﹐並首次測得光速值﹐使得後來布拉得雷才能發現光行差﹐為日心說提供了有力的證明。
1718年﹐哈雷把他觀測到的恆星位置同喜帕恰斯?托勒密的觀測結果相比較﹐發現天狼?參宿四?大角等星的位置本身有變化﹐由此發現了恆星的自行。
1748年﹐布拉得雷提出﹐恆星自行可能是太陽運動和恆星運動的綜合結果。
英國賴特(1750年)?德國康德(1755年)?朗伯特(1761年)等人都提出了恆星組成一個有限的呈扁平圓盤狀的銀河系﹐而且銀河系外還有別的星系的思想。
1783年﹐F.W.赫歇耳通過對7顆星的自行的分析﹐得知太陽在向武仙座方向運動﹐此後又通過對27顆恆星的分析﹐求出運動向點是在武仙座λ附近﹐和今測點相差不到10°。
1802年﹐F.W.赫歇耳從雙星間距離的測定中發現﹐有些雙星有互相環繞作周期運動的現象。
1814年﹐夫琅和費製成第一架分光鏡﹐用來觀測太陽﹐發現了太陽的光譜線。
由於儀器的進步和技術的提高﹐十九世紀三十年代終於測出自哥白尼以來長期尋求的恆星三角視差。從此﹐天文學家才有可能獲得對恆星距離的知識。
1859年﹐基爾霍夫指出太陽光譜裡的黑線是因光球發出的連續光譜被太陽大氣所吸收而造成的。他把這些譜線和實驗室裡各種元素的光譜加以比較﹐證認出太陽上有許多地球上常見的元素﹐如鈉?鐵?鈣?鎳等。
1865年﹐英國哈根斯對恆星光譜線位置進行了細緻的測量﹐因而在1868年發現因多普勒效應而產生的微小的譜線位移﹐由此他測出恆星正在接近或離開我們的視向速度。
1869年﹐英國洛基爾觀測到日珥光譜中一條橙黃色明線﹐認為是未知元素“氦” 所形成的。26年後﹐英國化學家雷姆塞從地球上的礦物中把它分離出來。
1872年﹐有人把大陵五的光度變化解釋為一顆暗星繞一顆亮星運行時彼此掩蝕的結果。
1890年﹐美國哈佛大學天文台發表了第一份《亨利?德雷伯星表》。這個星表是將恆星按溫度遞降次序分為O?B?A?F?G?K?M?R?N?S各類。
太陽是一個典型的恆星。我們對恆星的大氣?內核和能源的知識﹐很多來自太陽。十九世紀最後十年﹐美國海耳和法國德朗達爾分別發明太陽單色光照相儀和太陽譜線速度儀﹐從而開始了現代太陽研究的新時期。他們通過單色光觀察太陽的光球和色球﹐發現了譜斑。二十世紀初籌建了威爾遜山天文台﹐發現了黑子的磁性和22年的磁周期。
在二十世紀上半葉已經成熟的經典分析方法﹐較重要的成果有E.W.布朗的月球運動理論和1919年F.E.羅斯改進的火星運動理論。除分析方法外﹐二十世紀初還出現一條新的發展途徑﹐這就是龐加萊提出的天體力學定性理論﹐其中包括變換理論?特徵指數理論?周期解理論和穩定性理論﹐對以後的天體力學發展有較大的影響。十九世紀紐康證實水星近日點進動問題中有誤差。這個問題用經典力學再也無法解釋。直到1915年廣義相對論問世後才得到解釋。
五十年代以後出現了兩個新的因素。一是人造衛星和空間探測器的發射﹐由此並發展成天文動力學﹐專門研究這些飛行器的運動問題。二是快速電子計算機的出現﹐使計算的速度和精度有極大的提高﹐從而使需要繁重計算工作的天體力學數值方法得到迅速發展。從1968年開始﹐電子計算機已用於分析方法中的公式推導﹐使攝動理論也得到很大的發展。此外﹐六十年代建立的卡姆(KAM)理論﹐是對定性理論的重大發展。七十年代﹐三體問題的拓扑學研究成為一個活躍的領域。
1890?1936年﹐哈佛大學天文台在E.C.皮克林和坎農的領導下﹐陸續出版載有272150 顆恆星光譜一元分類的《亨利?德雷伯星表》﹐為建立恆星表面溫度序列奠定了基礎。
1905年﹐赫茨普龍根據光譜特徵﹐確認恆星有巨星和矮星之分。二十世紀頭十年﹐他在1905?1907年和H.N.羅素在1913年分別繪製銀河星團的星等－色指數圖和已知距離的恆星的絕對星等-光譜型圖﹐從中發現恆星分布的規律。絕大多數恆星處在所謂的主星序上﹐ 而巨星和白矮星則分別瀰漫在主星序之上的巨星分支中和主星序的左下角。H.N.羅素還提出恆星在圖上的演化走向。後人把恆星的光譜光度圖稱為赫羅圖。
1912年﹐勒維特觀測小麥哲倫雲的造父變星﹐發現周光關係﹐從而推測小麥哲倫雲的距離可能十分遙遠﹐也許在銀河系之外。1924年底﹐哈勃宣布他利用造父變星的周光關係﹐計算出仙女星系(M31)?人馬不規則星系(NGC6822)的距離﹐指出它們是銀河系以外的恆星系統。
1918年﹐沙普利分析了當時已知的球狀星團的視分布﹐並根據造父變星的周光關係估算它們的距離﹐從而得出銀河系是直徑 300000光年?厚30000光年的透鏡型的恆星和星雲系統。銀河系中心在人馬座方向﹐太陽距銀心50000光年。半個世紀中﹐沙普利模型的形狀﹐已為世人所公認。不過﹐由於不正確地假定星際間無吸光物質﹐對距離尺度估計得偏高。直到1930年﹐特朗普勒通過研究銀河星團而證實星際吸光的存在﹐才重新訂正銀河系模型的大小。今日的公認值是直徑約81500光年?厚約3300?6600光年﹐太陽距銀心約32600光年。
1926年﹐林德布拉德指出﹐恆星運動的不對稱效應是銀河系自轉的反映。隨後﹐銀河系的較差自轉為奧爾特所證實﹐並求出太陽以每秒250公里的速度﹐沿圓軌道繞銀心運動﹐估計2.5億年公轉一周。他還估算出銀河系的質量。根據河外星系的旋渦結構﹐人們推測銀河系也有旋渦結構。五十年代初﹐摩根的高光度星空間分布研究和奧爾特等人的中性氫21厘米譜線射電分析﹐都確切地描繪出銀河系旋渦結構和旋臂。六十年代﹐林家翹比較成功地用密度波理論解釋了旋渦結構及其維持機制。
1929年﹐哈勃發現河外星系的譜線紅移量和星系距離成正比關係。假若承認紅移是天體退行運動的多普勒效應﹐那麼紅移－距離關係意味著星系普遍退行﹐而它們所處的空間整體在膨脹。宇宙膨脹正是相對論宇宙學所預期的結果之一。
1931年﹐法國李奧製成日冕儀﹐使人們在不發生日蝕的時候也能觀察日冕﹐探索太陽高層大氣。
1937年﹐柯伊伯首先發現﹐一些銀河星團在赫羅圖上的位置差異可以用年齡不同加以解釋﹐這說明赫羅圖是探討恆星演化的有效工具。
1938年﹐貝特指出﹐主序星的能源是氫變氦的熱核反應﹐成功地闡明了恆星的產能機制﹐為理解太陽型恆星100億年的演化程奠定了基礎。
五十年代末﹐由於斯特龍根?赫比格?桑德奇等人的研究﹐已能描述不同質量的恆星在主星序前的流體動力階段 和主星序氫燃燒階段等的演化情況﹐氫燒盡後離開主星序的走向﹐以及可能有的最後歸宿。
六十年代以來貝克林?斯特羅姆等人的紅外觀測﹐以及博克等人的光學觀測﹐都表明恆星起源於星際暗雲﹐因吸積?收縮而成原恆星。林忠四郎?拉爾森對此階段的演化作了理論描述。
在星系世界陸續發現了異常激擾的特殊天體﹐例如﹐河外射電源和X射線源?類星體。與以百億年為演化尺度的絕大多數正常星系相比﹐它們的存在只是短暫的瞬間。
早在四十年代﹐伽莫夫?阿爾菲和海爾曼根據當時已知的氦豐度和哈勃常數等資料﹐發展了熱大爆炸學說﹐並預言宇宙間充滿具有黑體譜的殘餘輻射﹐其溫度約為幾K或幾十K。 3K微波背景輻射的實測結果與理論預期大體相符。 1964年﹐美國科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜測量銀暈氣體射電強度時﹐發現總有消除不掉的背景噪聲。他們認為﹐這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當於3.5K。 1965年﹐他們又訂正為3K﹐並將這一發現公諸於世﹐為此獲1978年諾貝爾物理學獎金。微波背景輻射是極大的時空範圍內的事件。因為只有通過輻射與物質之間的相互作用﹐才能形成黑體譜。由於現今宇宙空間的物質密度極低﹐輻射與物質的相互作用極小﹐所以﹐我們今天觀測到的黑體譜必定起源於很久以前。微波背景輻射應具有比遙遠星系和射電源所能提供的更為古老的信息。微波背景輻射的另一特徵是具有極高度的各向同性。這有兩方面的含義﹕小尺度上的各向同性﹕在小到幾十弧分的範圍內﹐輻射強度的起伏小於0.2?0.3％﹔大尺度上的各向同性﹕沿天球各個不同方向﹐輻射強度的漲落小於0.3％。各向同性說明﹐在各個不同方向上﹐在各個相距非常遙遠的天區之間﹐應存在過相互聯繫。除微波波段外﹐在從射電到γ射線輻射的各個波長上﹐大都進行過背景輻射探測﹐結果是微波波段的輻射最強﹐其強度超過其他所有波段的背景輻射的總和。
微波背景輻射的發現被認為是二十世紀天文學的一項重大成就。它對現代宇宙學所產生的影響﹐可以與河外星系的紅移的發現相比擬。當前﹐流行的看法認為背景輻射起源於熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學的強有力的支持。此外﹐還有用其他模型或機制來解釋微波背景輻射的宇宙學說。
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【天文學補充教材之一：古代天文學】
資料取材自「中國大百科天文學」
北京中國大百科出版社出版 繁體中文數位版：遠流集團智慧藏學習科技股份有限公司出版 台北市中正區 100 南昌路二段 81 號 8 樓 TEL : (02) 2393-6968 FAX : (02)2393-6877 http://www.wordpedia.com/edu/product/cpedia.aspx
天文學常識：特邀「牛角尖」重新整理
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古代天文學
中國古代天文學
在中國的史書中《春秋》和《左傳》﹐記錄了37次日蝕﹐現已證明其中32次是可靠的﹐ 魯莊公七年(公元前687年)“夏四月辛卯﹐夜﹐恆星不見。夜中﹐星隕如雨”這是天琴座流星雨的最早記載。 魯文公十四年(公元前613年)“秋七月﹐有星孛入於北斗﹐”是關於哈雷彗星的最早記錄。 大概在春秋中葉(公元前 600年左右)已開始用土圭來觀測日影長短的變化﹐以定冬至和夏至的日期。 那時把冬至叫作“日南至”﹐以有日南至之月為“春王正月”。
春秋戰國時代﹐有人設計出一種只同天象聯繫﹐而與人間社會變遷無關的歲星紀年法﹐歲星﹐即木星。 古人認為它的恆星周期是十二年。因此﹐若將黃?赤道帶分成十二個部分﹐稱為十二次﹐ 則木星每年行經一次。這樣﹐就可以用木星每年行經的星次來紀年。 歲星紀年法到漢以後就發展成為干支紀年法。
《莊子?天運》和《楚辭?天問》提出一系列問題﹐例如﹐宇宙的結構怎樣﹖天地是怎樣形成的﹖ 為了回答第一個問題﹐出現了蓋天說﹐先是認為“天圓如張蓋﹐地方如棋局”﹐ 後來又改進成為“天似蓋笠﹐地法覆槃”(《晉書?天文誌》)。
關於第二個問題﹐明確而全面的記載則始見於漢代的《淮南子》(約成書於公元前140年)﹐ 《淮南子?天文訓》一開頭就講天地的起源和演化問題﹐認為天地未分以前﹐混混沌沌﹔ 既分之後﹐輕清者上昇為天﹐重濁者凝結為地﹔天為陽氣﹐地為陰氣﹐二氣相互作用﹐產生萬物。 戰國以後﹐與農業生產有密切關係的二十四節氣也在逐步形成﹐它們的完整名稱也始見於《淮南子》。 二十四節氣﹐簡稱“氣”﹐這是中國古代曆法的陽曆成分。而“朔”則是中國古代曆法的陰曆成分。 氣和朔相配合﹐構成中國傳統的陰陽曆。
東漢時代(公元25?220年)﹐張衡以發明候風地動儀聞名於世。在天文學方面﹐他是渾天說的代表人物﹐ 主張“天圓如彈丸﹐地如卵中黃”﹔並且在耿壽昌所發明的渾象的基礎上﹐製成漏水轉渾天儀﹐ 演示他的學說﹐成為中國水運儀象傳統的始祖。《張衡渾儀註》中說:“渾天如雞子。天體圓如彈丸﹐ 地如雞子中黃﹐孤居於天內﹐天大而地小。天表裡有水﹐天之包地﹐猶殼之裹黃。天地各乘氣而立﹐ 載水而浮。周天三百六十五度又四分度之一﹐又中分之﹐則半一百八十二度八分度之五覆地上﹐半繞地下﹐ 故二十八宿半見半隱。其兩端謂之南北極。北極乃天之中也﹐在正北﹐出地上三十六度。 然則北極上規徑七十二度﹐常見不隱。南極天地之中也﹐在正南﹐入地三十六度。南規七十二度常伏不見。 兩極相去一百八十二度強半。天轉如車轂之運也﹐周旋無端﹐其形渾渾﹐故曰渾天。” 可見渾天說比蓋天說進了一步﹐它認為天不是一個半球形﹐而是一整個圓球﹐地球在其中﹐ 就如雞蛋黃在雞蛋內部一樣。不過﹐渾天說並不認為“天球”就是宇宙的界限﹐ 它認為“天球”之外還有別的世界﹐即張衡所謂:“過此而往者﹐未之或知也。 未之或知者﹐宇宙之謂也。宇之表無極﹐宙之端無窮。”(《靈憲》)
除了蓋天說和渾天說以外﹐比張衡略早的郗萌還提出他先師宣傳的宣夜說﹐ 這個學說認為並沒有一個硬殼式的天﹐宇宙是無限的﹐空間到處有氣存在﹐天體都漂浮在氣中﹐ 它們的運動也是受氣制約的。
東漢末年﹐劉洪在《干象曆》(公元206年創制)中第一次把回歸年的尾數降到1/4以下﹐ 成為 365.2462日﹐並且使朔望和日月蝕的計算都前進了一大步。
東晉虞喜發現歲差﹐南朝祖沖之將它引進曆法﹐將恆星年與回歸年區別開來。 祖沖之測定一個交點月的日數為27.21223﹐同今測值只差十萬分之一。 祖沖之之子繼承父業﹐也精於天文。他發現過去人們當作北極星的“紐星”已去極一度有餘﹐ 從而證明天球北極常在移動﹐古今極星不同。
貞觀七年(公元633年)﹐李淳風製成渾天黃道儀﹐把中國觀測用的渾儀發展到極為複雜的程度。
開元十三年(公元725年)﹐一行和梁令瓚改進了張衡的水運渾象。他們把渾象放在木櫃子裡﹐ 一半露在外面﹐一半藏在櫃內﹐在櫃面上有兩個木人分立在渾象兩旁﹐一個每刻擊鼓﹐ 一個每辰(2小時)敲鐘﹐按時自動。這可以說是最早的自鳴鐘﹐它的名字叫“開元水運渾天俯視圖”。 一行質問“宇宙之廣﹐豈若是乎﹖”剎住了計算宇宙大小的風氣﹐並使柳宗元受到了影響。 柳宗元把宇宙無限論推向新的高峰﹐他認為宇宙既沒有邊界﹐也沒有中心﹐ “無青無黃﹐無赤無黑﹐無中無旁﹐烏際乎天則﹗”(《天對》) 也就是說﹐天既沒有青?黃?赤?黑各種顏色之分﹐也沒有中心和邊緣之別﹐怎麼能把它劃分成幾部分呢﹖
關於1006年和1054年的超新星的出現﹐特別是1054年(宋仁宗至和元年)的超新星記錄﹐ 成為當代天文學研究中極受重視的資料。在這顆超新星出現的位置上﹐現在遺留有一個蟹狀星雲。
1276年以後﹐忽必烈把金?宋兩個司天監的人員集中到大都﹐再加上新選拔的一些人才﹐ 組成了一支強大的天文隊伍。這支隊伍在王恂?郭守敬主持下﹐從事製造儀器﹐進行測量和編制新曆﹐ 在短短的五年時間(1276?1280年)中取得了極大的成就﹐將中國古代天文學推向新的高峰。 第一﹐製造了多種新儀器﹐其中仰儀是用針孔成像原理﹐把太陽投影在半球形的儀面上﹐ 以直接讀出它的球面坐標值。 高表是把傳統的八尺表加高到四丈﹐使得在同樣的量度精度下﹐誤差減少到原來的五分之一。 正方案是在一塊四尺見方的木板上畫19個同心圓﹐圓心立一根表﹐當表的影端落到某個圓上時就記下來﹐ 從早到晚記完後把同一個圓上的兩點聯接起來﹐它們的中點和圓心的聯線就是正南北方向。 玲瓏儀和蘇頌?韓公廉所造的渾天象相似﹐是一種可容人在內部觀看的表演儀器。 1281年以後﹐郭守敬還創制了不少新儀器﹐其中大明殿燈漏是最突出的一項。 它是一個外形像燈籠球?用水力推動的機械報時器﹐上面還布置有能按時跳躍的動物模型﹐ 這同歐洲在機械鐘錶上附加的種種表演機械是一樣性質的。
第二﹐進行了一次空前規模的觀測工作。在全國27個地方設立觀測所﹐測量當地的地理緯度﹐ 並南起北緯15度﹐北至北緯65度﹐每隔10度設立一個觀測站﹐測量夏至日影的長度和當天晝夜的長短。
第三﹐對一系列天文數據進行實測﹐並對舊的數據進行檢核﹐選用其中精密的數據。
第四﹐在至元十七年(公元1280年)編成《授時曆》﹐並於次年起實行。 《授時曆》用三次差內插法來求太陽每日在黃道上的視運行速度和月亮每日繞地球運行的速度﹐ 用類似球面三角的弧矢割圓術﹐由太陽的黃經求它的赤經赤緯﹐求白赤交角﹐ 以及求白赤交點與黃赤交點的距離。
忽必烈至元四年(公元1267年)﹐西域天文學家札馬魯丁進呈《萬年曆》﹐同年製造七件阿拉伯天文儀器﹐ 其中包括托勒密式的黃道渾儀?長尺﹐以及地球儀和星盤。
從明初到明萬曆年間的二百年中﹐天文學上的主要進展有﹕ 翻譯阿拉伯天文書籍﹔鄭和於1405?1432年遠洋航行中利用“牽星術”定位定向﹐發展了航海天文﹔ 對奇異天象(例如1572年和1604年的超新星)的觀測等。
明末﹐歐洲耶穌會傳教士來到中國。他們瞭解到中國對新知識的追求﹐便採取了學術傳教的方針。 他們所介紹的歐洲天文學知識受到當時進步知識分子的歡迎﹐並加以翻譯和介紹。 中國學者除參與翻譯和介紹歐洲天文知識外﹐還向耶穌會士學習了歐洲天文學的計算方法。因此﹐ 萬曆三十八年(公元1610年)﹐徐光啟用西法預報這一年十一月朔(12月15日)的日蝕。經觀測證明﹐ 這個預報比較準確﹐因而引起人們對西法的注意。崇禎二年五月乙酉朔(公元1629年6月21日)日蝕﹐ 欽天監的預報又發生明顯錯誤﹐明朝政府決心改曆﹐命令徐光啟在北京宣武門內組成百人的曆局﹐ 聘請耶穌會士鄧玉函?羅雅谷?湯若望等參加編譯工作﹐經過五年成書 137卷﹐命名《崇禎曆書》。 《崇禎曆書》與中國古代天文學體系最顯著的不同是﹕採用第谷的宇宙體系和幾何學的計算系統﹔ 引入地球和地理經緯度概念﹔應用球面三角學﹔採用歐洲通行的度量單位﹐分圓周為360°﹐ 分一日為96刻﹐24小時﹐度和時以下採用60進位制。 《崇禎曆書》於1634年編成以後﹐未曾頒行。1644年清軍入關以後﹐湯若望把這部書刪改壓縮成103卷﹐ 更名為《西洋新法曆書》﹐進呈清政府。清政府任命湯若望為欽天監監正﹐ 用“西洋新法”編算下一年的民用曆書﹐命名為《時憲曆》。
埃及古代天文學
埃及第三王朝到第六王朝(約公元前二十七世紀至公元前二十二世紀)文化最為繁榮。 埃及對於數學?醫學和天文學的重要貢獻﹐都產生在這一時期。名聞世界的金字塔也是在這一時期建造的。 據近代測量﹐最大的金字塔底座的南北方向非常準確﹐當時在沒有羅盤的條件下﹐必是用天文方法測量的。 最大的一座金字塔在北緯30°線南邊二公里的地方﹐塔的北面正中有一入口﹐從那裡走進地下宮殿的通道﹐ 和地平線恰成30°的傾角﹐正好對著當時的北極星。 除知道北極附近的拱極星外﹐埃及人認星最大的特徵是將赤道附近的星分為36組﹐每組可能是幾顆星﹐ 也可能是一顆星。每組管十天﹐所以叫旬星(Decans)。當一組星在黎明前恰好昇到地平線上時﹐ 就標誌著這一旬的到來。現已發現的最早的旬星文物屬於第三王朝。
埃及最早的曆法﹐合三旬為一月﹐合四月為一季﹐合三季為一年。 三個季度的名稱是﹔洪水季(Akhet)?冬季(Peret)和夏季(Shemu)﹐冬季播種﹐夏季收穫。 在古王國時代﹐一年中當天狼星清晨出現在東方地平線上的時候﹐尼羅河就開始氾濫。 古埃及人根據對天狼偕日昇和尼羅河氾濫的周期進行了長期觀測﹐把一年由360日增加為 365日。 這就是現在陽曆的來源。但是這與實際周期每年仍約有0.25日之差。
美索不達米亞天文學 古代兩河流域的科學﹐以數學和天文學的成就為最大。據說在公元前三十世紀的後期就已經有了曆法。 他們分圓周為 360°﹐分1小時為60分﹐1分為60秒﹐以7天為1個星期﹐分黃道帶為12個星座等。 因為當時的年是從春分開始﹐所以古巴比倫曆的一月相當於現在的三月到四月。
巴比倫人以新月初見為一個月的開始。這個現象發生在日月合朔後一日或二日﹐ 決定於日月運行的速度和月亮在地平線上的高度。 為瞭解決這個問題﹐塞琉古王朝的天文學家自公元前311年開始制定日?月運行表﹐ 有日月運行表以後﹐計算月蝕就很容易了。事實上﹐遠在薩爾貢二世(約公元前九世紀)時﹐ 已知月蝕必發生在望﹐而且只有當月亮靠近黃白交點時才行。 巴比倫人不但對太陽和月亮的運行周期測得很準確﹐朔望月的誤差只有0.4秒﹐ 近點月的誤差只有3.6秒﹐這些數據遠比後來希臘人的準確。
希臘古代天文學
希臘第一個著名自然哲學家泰勒斯據說曾在埃及獲得了幾何學知識﹐到美索不達米亞學到了天文學。 相傳他曾預告過一次日蝕﹐並認為大地是一個浮在水上的圓盤或圓筒﹐而水為萬物之源。 從泰勒斯開始到托勒密為止的近八百年間﹐希臘天文學的成就主要表現在五個方面。
1.地球的形狀和大小 愛奧尼亞學派認為大地是個圓盤或圓筒﹔畢達哥拉斯學派則認為大地是個球形﹔ 亞里士多德在《論天》裡肯定了這一看法之後﹐地為球形的概念即成定論。 埃拉托斯特尼用比較科學的方法得出了很精確的結果﹐他注意到夏至日太陽在塞恩(今阿斯旺)地方的天頂上﹐ 而在亞歷山大城用儀器測得太陽的天頂距等於圓周的1/50。他認為這個角度即是兩地的緯度之差﹐ 因而地球的周長即是兩地之間距離的50倍。這兩地之間的距離當時認為是5﹐000希臘里﹐ 所以地球的周長為 25萬希臘里。據研究﹐1希臘里(Stadia)=158.5米﹐那麼地球周長便是 39﹐600公里﹐ 可以說相當準確。100多年以後﹐住在羅得島上的波西東尼斯又利用老人星測過一次地球的周長﹐ 得出為18萬希臘里﹐沒有埃拉托斯特尼的準確﹐但為托勒密所採用﹐一段時期內成為公認的數值。
2.日?月的遠近和大小 畢達哥拉斯認為﹐月光是太陽光的反射﹔月亮的圓缺變化是由於 月?地?日之間相互位置的變動﹐月面明暗交界處為圓弧形﹐表明月亮為球形﹐並推想其他天體也都是球形。 阿利斯塔克的論文《關於日月的距離和大小》設想上?下弦時﹐日?月和地球之間應當形成一個直角三角形﹐ 月亮在直角頂上。通過測量日?月對地球所形成的夾角﹐就可以求出太陽和月亮的相對距離。 他量出這個夾角是87°﹐並由此算出太陽比月亮遠約18?20倍。 喜帕恰斯繼續做阿利斯塔克測量日?月大小和距離的工作﹐他通過觀測月亮在兩個不同緯度地方的 地平高度﹐得出月亮的距離約為地球直徑的30+(1/6)倍﹐這個數字比實際稍小一點。
3.日心地動說 畢達哥拉斯學派的菲洛勞斯認為地球每天沿著由西向東的軌道繞中央火轉動一周。 和月亮總是以同一面朝著地球一樣﹐地球也是以同一面朝著中央火﹐而希臘人是住在背著中央火的一面。 地球和中央火之間還有一個“反地球”﹐它以和地球一樣的角速度繞中央火運行﹐ 因此﹐地球上的人是永遠看不見中央火的。 菲洛勞斯的理論認為﹐中央火是宇宙的中心。處在它外面的地球﹐每天繞火轉一周﹐月球每月一周﹐ 太陽每年一周﹐行星的周期更長﹐而恆星則是靜止的。這樣的見解要求地球每天運行一段行程後﹐ 恆星之間的視位置應該有所改變﹐除非恆星跟地球的距離是無限遠。 畢達哥拉斯學派認為恆星與地球的距離是有限的﹔可是﹐從來沒有觀測到在一天之內恆星之間的 視位置有什麼變化。為了消除這一矛盾﹐畢達哥拉斯學派另外兩位學者希色達和埃克方杜斯 提出地球自轉的理論﹐認為地球處在宇宙的中心﹐每天自轉一周。 其後﹐柏拉圖學派的赫拉克利德繼承了希色達和埃克方杜斯的觀點﹐以地球的繞軸自轉來解釋天體的視運動﹐ 同時又注意到水星和金星從來沒有離開過太陽很遠﹐進而提出這兩個行星是繞太陽運動﹐ 然後又和太陽一起繞地球運動。 和赫拉克利德同時的亞里士多德反對這種觀點﹐他以沒有發現恆星視差﹐來反對地球繞中央火轉動 的學說。他以垂直向上拋去的物體仍落回原來位置﹐而不是偏西的事實來反對地球自轉的學說。 亞里士多德的這兩個論據﹐直到伽利略的力學興起和貝塞耳發現了恆星的視差以後﹐才被駁倒。 雖然亞里士多德的觀點在很長時期內佔了統治地位﹐但是﹐公元前三世紀的阿利斯塔克還是認為﹐ 地球在繞軸自轉的同時﹐又每年沿圓周軌道繞太陽一周﹐太陽和恆星都不動﹐ 行星則以太陽為中心沿圓周運動。為瞭解釋恆星沒有視差位移﹐他正確地指出﹐ 這是由於恆星的距離遠比地球軌道直徑大得多的緣故。
4.同心球理論 阿利斯塔克的見解走在時代的前面太遠﹐無法得到一般人的承認。 當時盛行的是地球為中心的地心說﹐它一直延續到十六至十七世紀。 畢達哥拉斯學派認為﹐一切立體圖形中最美好的是球形﹐一切平面圖形中最美好的是圓形﹐ 而宇宙是一種和諧的代表物﹐所以一切天體的形狀都應該是球形﹐一切天體的運動都應該是勻速圓周運動。 但是事實上﹐行星的運動速度很不均勻﹐有時快﹐有時慢﹐有時停留不動﹐有時還有逆行。 可是柏拉圖認為﹐這只是一種表面現象﹐這種表面現象可以用勻速圓周運動的組合來解釋。 他提出了以地球為中心的同心球殼結構模型。各天體所處的球殼﹐離地球的距離由近到遠﹐ 依次是﹕月亮?太陽?水星?金星?火星?木星?土星?恆星﹐各同心球之間由正多面體聯接著。 到了亞里士多德﹐不同於前人的地方在於﹕他的天體次序是﹕ 月亮?水星?金星?太陽?火星?木星?土星和恆星天﹐在恆星天之外還有一層“宗動天”。 亞里士多德認為﹐一個物體需要另一個物體來推動﹐才能運動。於是他在恆星天之外﹐ 加了一個原動力天層──宗動天。宗動天的運動則是由不動的神來推動的﹐神一旦推動了宗動天﹐ 宗動天就把運動逐次傳遞到恆星?太陽?月亮和行星上去。這樣﹐亞里士多德就把 上帝是第一推動力的思想引進宇宙論中來了。
5.本輪均輪說 同心球理論除了過於複雜以外﹐還和一些觀測事實相矛盾﹕ 第一﹐它要求天體同地球永遠保持固定的距離﹐而金星和火星的亮度卻時常變化。 這意味著它們同地球的距離並不固定。 第二﹐日蝕有時是全蝕﹐有時是環蝕﹐這也說明太陽?月亮同地球的距離也在變化。 阿利斯塔克的日心地動說可以克服同心球理論的困難﹐但他無法回答上面提到的亞里士多德 對地球公轉和自轉的責難。當時希臘人認為天地迥然有別﹐也阻礙人們接受地球是一個行星的看法。 因此﹐要克服同心球理論所遇到的困難﹐還得沿著圓運動的思路前進。 阿波隆尼設想出另一套幾何模型﹐可以解釋天體同地球之間距離的變化。 那就是﹕如果行星作勻速圓周運動﹐而這個圓周(本輪)的中心又在另一個圓周(均輪)上作勻速運動﹐ 那麼行星和地球的距離就會有變化。 通過對本輪?均輪半徑和運動速度的適當選擇﹐天體的運動就可以從數量上得到說明。 喜帕恰斯繼承了阿波隆尼的本輪?均輪思想﹐並且又進一步有所發現﹕ 太陽的不均勻性運動還可以用偏心圓來解釋﹐即太陽繞著地球作勻速圓周運動﹐ 但地球不在這個圓周的中心﹐而是稍偏一點。 這樣﹐從地球上看來﹐太陽就不是勻速運動﹐而且距離也有變化﹐近的時候走得快﹐遠的時候走得慢。 本輪均輪說到托勒密時發展到了完備的程度﹐他在《天文學大成》中作了概括。 這種學說統治了天文學界一千四百多年﹐直到哥白尼學說出現以後﹐才逐漸被拋棄。
印度古代天文學
由於農業生產的需要﹐印度早就創立了自己的陰陽曆。在早期的吠陀中有零星的記載﹐ 例如在《愛達羅氏梵書》記載﹐一年為360日﹐十二個月﹐一個月為30日。 但實際上﹐月亮運行一周不足30日﹐所以有的月份實際不足30日﹐印度人稱為消失一個日期。 大約一年要消失五個日期﹐但習慣上仍稱一年 360日。印度古代有其他多種曆日制度﹐彼此很不一致。 在印度曆法中有望終月和朔終月的區別。望終月是從月圓到下一次月圓為一個月﹔ 朔終月以日月合朔到下一個合朔為一個月。 為了研究太陽?月亮的運動﹐印度有二十七宿的劃分方法。它是將黃道分成二十七等分﹐稱為“月站”。 印度也有二十八宿的劃分方法﹐增加的一宿位於人馬座α和天鷹座α之間﹐名為“麥粒”宿。
在佛教在印度傳播很廣的時期內﹐佛經中表述的傳統宇宙觀念﹐與中國古代的蓋天說較為接近。 須彌山為天地的正中央。日月環繞須彌山運動而不入地下﹐日繞行一周為一晝夜。 在以後的一個相當長的時期內﹐印度天文學基本上沒有得到發展。在笈多王朝時期(公元四?五世紀)﹐ 佛教衰落而印度教興起。希臘天文學傳入印度﹐天文學開始蓬勃發展﹐出現了印度著名的天文學家阿耶波多。 他計算了日月五星以及黃?白道的昇交點和降交點的運動﹐有推算日月蝕的方法。從曆數書中得知﹐ 當時的印度曆法大都是使用恆星年而不是回歸年﹐這個特點一直保持到近代。 公元十二世紀﹐印度出現了天文學家帕斯卡爾﹐他的重要天文著作《曆數精粹》對印度天文學的 發展影響很深。他提出了自己的宇宙理論﹐認為地球居於宇宙之中﹐靠自力固定於空中﹔ 認為地球上有七重氣﹐分別推動月球?太陽和星體運動。他還提出天體視直徑的變化是 由於它們到地球的距離變化造成的﹐並且認識到地球具有引力。 印度天文學在曆法計算和宇宙理論上自具特色﹐但不重視對天體的實際觀測﹐ 因而忽視天文儀器的使用和製造。在一個很長的時期內僅有平板日晷和圭錶等簡單儀器。 直到十八世紀才由賈伊?辛格二世在德里等地建立了天文台﹐置有十幾件巨型灰石或金屬結構的天文儀器。
阿拉伯天文學
也稱伊斯蘭天文學或穆斯林天文學。一般所說的阿拉伯天文學是指公元七世紀伊斯蘭教興起後 直到十五世紀左右各伊斯蘭文化地區的天文學。在這段時期裡阿拉伯天文學大體形成了三個學派﹐ 即巴格達學派?開羅學派和西阿拉伯學派。
巴格達學派 阿拔斯王朝(750?1258年﹐黑衣大食)於762年在巴格達建都以後﹐ 除了直接接受巴比倫和波斯的天文學遺產以外﹐又積極延攬人才﹐翻譯印度婆羅門笈多著的 《增訂婆羅門曆數全書》和希臘托勒密著的《天文學大成》等許多書籍﹐作為進一步發展的基礎。 829年巴格達建立天文台﹐在這裡工作過的著名天文學家有法干尼等人。法干尼著有《天文學基礎》一書﹐ 對托勒密學說作了簡明扼要的介紹﹐賈法爾?阿布?馬舍爾著《星占學巨引》﹐後來在歐洲傳播甚廣。 塔比?伊本?庫拉發現歲差常數比托勒密提出的每百年移動一度要大﹔而黃赤交角從托勒密時的 23°51′;減小到 23°35′;﹔他又在托勒密的八重天(日?月?五星和恆星)之上加上了第九重。 他的繼承者巴塔尼是阿拉伯天文學史上偉大的天文學家﹐伊斯蘭天文學中的重要貢獻﹐大多是屬於他的。 他的最著名的發現是太陽遠地點的進動﹔他的全集《論星的科學》在歐洲影響很大。 比巴塔尼稍晚的蘇菲所著《恆星圖象》一書﹐被認為是伊斯蘭觀測天文學的三大傑作之一。 書中繪有精美的星圖﹐星等是根據他本人的觀測畫出的﹐因而它是關於恆星亮度的早期寶貴資料﹐ 現在世界通用的許多星名﹐如Altair(牛郎星)?Aldebaran(畢宿五)?Deneb(天津四)等﹐都是從這裡來的。
開羅學派 公元十世紀初﹐在突尼斯一帶建立了法提瑪王朝(909?1171年﹐綠衣大食)。 最有名的天文學家是伊本?尤努斯﹐他編撰了《哈基姆曆數書》(西方稱《哈基姆天文表》)﹐ 其中不但有數據﹐而且有計算的理論和方法。書中用正交投影的方法解決了許多球面三角學的問題。 他彙編了自 829年至1004年間阿拉伯天文學家和他本人的許多觀測記錄﹐ 為近代天文學研究月球的長期加速度提供了寶貴資料。
西阿拉伯學派 西班牙哈里發王朝(白衣大食)最早的天文學家是科爾多瓦的查爾卡利。 他的最大貢獻是於1080年編制了《托萊多天文表》。這個天文表的特點是其中有儀器的結構和 用法的說明﹐尤其是關於阿拉伯人特有的儀器──星盤的說明。 在《托萊多天文表》中﹐還有一項重要內容﹐就是對托勒密體系作了修正﹐ 以一個橢圓形的均輪代替水星的本輪﹐他們反對托勒密的本輪假說﹐ 理由是行星必須環繞一個真正物質的中心體﹐而不是環繞一個幾何點運行。 -
源自:
http://www.scitom.com.cn/history/landmark/ldm176.html
古印度人的时空观
印度是世界文明古国之一，有过灿烂的文化。在宇宙观方面也有过自己的见解。
印度最古老的文献是“吠陀”，这是一种古代宗教的圣经。“吠陀”分为四部：《梨俱吠陀》最为古老，其中大部分内容大概在公元前十几世纪已经形成，全部编成大约不晚于公元前6世纪。《沙摩吠陀》、《耶柔吠陀》、《阿闼婆吠陀》，大体形成于公元前6世纪。
在《梨俱吠陀》中，反复呤咏这样的诗句：“光明之神再次战胜了黑夜，”“太阳又从东边升起来了。”这是古印度人歌颂任何东西也不能代替的光明之神，为太阳编造的优美的神话和传说。
不仅如此，古印度人还不停顿地观察太阳的运动。其证据是在《梨俱吠陀》中有“太阳180天运行在北方天空，180天运行在南方天空”的记载。书中还写到：“月亮在15天内逐渐变圆，在15天内逐渐变弯。”这样，古印度人以太阳的视运动为依据，把一年定为360天，又以月亮的圆缺变化为依据，把一个月定为30天，以此来编制历法。《梨俱吠陀》中有13个月的记载。
《鹧鸪氏梵书》中将一年分为春、热、雨、秋、寒、冬六个季节。还有一种分法是将一年分为冬、夏、雨三季。《爱达罗氏梵书》记载，一年为360天，12个月，每个月为30天。但实际上，月亮运行一周不足30天，所以有的月份实际上不足30天，印度人称为消失1个日期。大约一年要消失5个日期，但习惯上仍然称一年为360天。
在“吠陀”圣经中，也有不少关于金星、彗星的记载，在“吠陀”以后的文献中关于天狼星、日食、月食的记载也有了。
为了研究太阳、月亮的运动，印度有二十七宿的划分方法。它是将黄道分为27等分，称为“细沙特拉”，意思为“月站”。二十七宿的最早名称出现在《鹧鸪氏梵书》。当时以昴宿为第一宿。在史诗《摩诃婆罗多》里则以牛郎星为第一宿，后来改为白羊座β星为第一宿。这个体系一直沿用到近代。印度二十七宿的划分是等分的（这与中国二十八宿的划分法截然不同），但各宿的起点并不正好有较亮的星，于是他们便选择该宿范围内最亮的一颗星作为联络星，每个宿都以联络星命名。印度也有如同中国二十八宿的划分法，增加的一宿位于人马座α星和天鹰星座α星之间，名为“阿皮季德”（Abhijit，梵文是麦粒的意思）宿。
由此可知，古印度人从上古的年代就已经掌握了观天方法。
古印度人对于时间和空间，有自己的独特看法。非常令人惊奇的是，这种时间观念竟和现代天文学中的时间观念非常相似。表现这种时间观念的语言叫做“劫”。所谓劫是指这样一种时间长度：在纵、横、高都是16千米的方块岩石上，每隔三年就有天女降在上面翩翩起舞，久而久之，天女的羽衣把16千米立方的岩石磨完的时间，可以想象这个时间长度是非常非常之长的。
对于“劫”还有另外一种说法，依然是16千米立方的大容器，里面装满了罂粟颗粒。天女每三年飞来起舞一次，而每次都把一粒罂粟带到容器之外，积年累月罂粟带完了，容器空了。一劫就是容器变空的时间。
16千米立方的空间究竟有多大呢？我们可以打这样一个比喻，如果以每粒罂粟为一个立方毫米计算，那么天女把这个大容器里的罂粟全部带出容器，需要的时间是100亿年，也就是说一劫的长度是100亿年，这个数字和现代人们计算的宇宙年龄十分接近。
对于空间，古印度人也有奇异的看法，他们认为在人类居住的世界之上，还有夜摩天、化乐天、悲想天、非悲天等世界。
这种时空观是壮大的，但却是不现实的。印度人也有现实的宇宙观，这就是“世界支撑在三只大象的脊背上”的看法。具体说来是这样的：护持神毗瑟拿，化身为大海龟，海龟的硬壳背上站着三只大象，大象驮着半圆形的大地，大象动一动便会引起地震。海龟又站在作为水的象征的眼镜蛇的身上。半圆形的大地中央是须弥山，太阳和月亮绕山运行，当太阳绕到山后的时候，就是漆黑的夜晚。
古印度人之所以对宇宙有这种看法，是和印度的自然地理环境以及他们的“图腾”观念分不开的。印度的地形是以德干高原为主体的半岛，高原周围山脉环绕，东北部是高大雄伟的喜马拉雅山，西北部是广阔的沙漠，其他两面是汪洋大海，交通阻塞，使人产生字成一体的印象。而海龟是奇珍美味，大象又是最重要的牲畜，眼镜蛇则是致人丧命的可怖“神物”。这三类动物造成古印度人心目中崇拜的“图腾”，于是，便产生了上述的有趣观念。 -
來源：http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/news.xinhuanet.com/school/2004-10/12/content_2081564.htm
星相學的由來
星相學，或稱占星術(ASTROLOGY)，是星相學家觀測天體，日月星辰的位置及其各種變化後，作出解釋，來預測人世間的各種事物的一種方術。
星相學認為，天體，尤其是行星和星座，都以某種因果性或非偶然性的方式預示人間萬物的變化。星相學的理論基礎存在於西元前300年到西元300年大約600年間的古希臘哲學中，這種哲學將星相學和古美索不達米亞人的天體“預兆”結合起來，星相學家相信，某些天體的運動變化及其組合與地上的火，氣，水，土四種元素的發生和消亡過程有特定的聯繫。這種聯繫的複雜性，正反映了變化多端的人類世界的複雜性。這種千變萬化的人類世界還不能為世人所掌握，因此，星相學家的任何錯誤都很容易找到遁詞。星相學對於神的作用有各自不同的說法。有人認為，宇宙完全是機械化的，他們對神的介入和人的自由意志這兩種可能性都加以擯棄。另一部分人認為，星相學並不是一門象天文學那樣精密的科學，它只能指出事物發展的趨勢，而這種趨勢是可以為人或神的意志所左右的。也有人認為，行星本身就是強大的神，他們的旨意可以透過祈禱來改變，而且星辰只對那些通曉星相學的人才顯示神的意志。後面的這種觀點和古代美索不達米亞人的思想很接近，他們主要是向朝廷預告那些即將來臨的福禍，這些福禍可能以氣象或疾病的形式來影響人類和動植物的生長，或是以某種形式來影響國家大事或皇室成員的生活，如此等等。但他們認為天體的預兆並不決定事物的未來，只是作為一種徵兆向人們顯示神的旨意。
占星術的最初目的，是根據人們出世時行星和黃道十二宮的位置，來預卜他們一生的命運。後來發展為幾個分支，一種專門研究重大的天象(如日食或春分點的出現)和人類的關係，叫做總體占星術；一種選擇行動的吉祥時刻，叫做擇時占星術；另一種叫做決疑占星術，根據求卜者提問時的天象來回答他的問題。
占星術起源於古美索不達米亞人的天體預兆。西元前18世紀到前16世紀的古巴比倫王朝，出現第一本分門別類論述天體預兆的鍥形文字的書。西元前6到前4世紀，天體預兆學說傳入埃及，希臘，近東地區和印度。後來經由印度僧人傳到中亞。西元前3世紀以來，有人把大小宇宙相對應的概念數學化。所謂的“小宇宙”指人體。他們還把黃道十二宮進一步細分，認為五星在黃道不同的弧段上的作用各有主次。某星對人的影響力按照其所處的弧段以及與其他敵友弧段的關係而定。十二宮又和人體的特定部位相應，千變萬化的物質世界和人的性格多少也和十二宮有關。星相學家根據給定的時刻的日月五星坐標和黃道十二宮的位置，以及它們之間複雜的幾何關係，算出行星的影響力，再利用占星天宮圖，找出上述各種因素與地上事件的對應關係，得出占星的結果。這種結果有時自相矛盾，這就需要占星者根據求佔者的情況和占星者本人的經驗加以圓通。到西元1世紀之後，上述方法已經定型。
希臘占星術也曾經傳入印度，伊朗，進入伊斯蘭文化。17世紀後隨著日心說的確立和近代科學的興起，星相學失去了科學上的支持。但近年來星相學又在西方開始抬頭，有人還試圖將近代發現的外行星引入占星術中，並試圖找出行星位置和人類生活的統計關係。（責任編輯:袁靜）
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